臨氫碳鋼高壓管失效分析與風險評估研究.pdf

1、優(yōu)質碳素結構鋼(如：10、20、20G等)韌性優(yōu)良、冷變形塑性好，在正常工作條件下不會發(fā)生脆性破壞，因此，碳鋼高壓管廣泛使用于合成氨和石油裂解等裝置中。臨氫(H2)環(huán)境碳鋼高壓管設計時，通常參考Nelson曲線選材，并考慮一定的安全系數(shù)，高壓管實際工作溫度一般不會高于200℃，多數(shù)情況下在常溫和低溫運行。通常認為，上述工況環(huán)境下，碳鋼高壓管可以安全運行，不會造成損失惡劣的安全事故，特別是脆性斷裂事故。但是，該類高壓管發(fā)生脆性爆炸的脆性斷

2、裂事故競時有發(fā)生，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。脆性斷裂失效事故雖然是小概率事件，但其后果嚴重程度往往超出了社會、企業(yè)和個人的承受限度。為了實現(xiàn)在用和再建的臨氫碳鋼管的長周期低風險運行，作者做了如下研究：
　　 (1)采用泛化分析方法研究了近年來的失效案例，指出和論證了臨氫碳鋼高壓管中失效的關鍵性(或普遍性)問題-“應變時效脆化”。以其中一起典型的臨氫碳鋼高壓管失效案例的化學成分(特別是N、H含量)、力學性能、微觀組織及宏微觀缺

3、陷等試驗結果為基礎，并結合其它失效案例的試驗結果，分析了材料劣化和裂紋萌生及擴展的原因和機理，研究發(fā)現(xiàn)材料韌性下降是應變時效脆化所致，環(huán)境中的氫(H)會進一步加劇材料劣化；裂紋萌生表面上看是氫致開裂，根本原因是應變時效脆化導致了氫脆的門檻值降低。
　　 (2)采用透射電鏡(TEM)觀測碳化物和氮偏析物的微觀組織結構，通過分析從微觀機理上證明了間隙原子氮(N)是主導碳鋼應變時效脆化的化學成分。詳細分析觀察了應變時效脆化和氫脆協(xié)同作

4、用后的微觀結構，研究表明應變時效脆化后氫脆的機理是在珠光體和鐵素體的交界處大量產生微孔洞、微裂紋。分析了應變時效脆化下通過夏比沖擊吸收能(KV2)估算斷裂韌度(KIC或JIC)下限的方法，對我國現(xiàn)行標準方法提出了改進建議。對檢測碳鋼應變時效脆化敏感性的分析表明KV2方法具有很高的可靠性。研究了應變時效脆化對失效評定圖(FAD)方法的影響，結果表明應變時效脆化會使評估點向左上方偏移。
　　 (3)為了降低應變時效脆化對臨氫碳鋼高壓

5、管安全的影響，以KV2做為材料力學性能評價指標，分析了預制中避免應變時效脆化導致高壓管失效的方法及其作用機理，以及已發(fā)生劣化的臨氫碳鋼高壓管性能恢復的方法和作用機理。研究表明：軋制過程中已發(fā)生應變時效脆化，后續(xù)的預制會加重管子的應變時效脆化程度；明確了冷變形中正火處理和去應力退火處理對于長周期避免脆化傾向有極高的可靠性；應變時效脆化消除的熱處理方法對初始組織結構極為敏感，性能恢復的評價須結合使用環(huán)境(特別是使用溫度)；正火態(tài)高壓管在冷彎

6、成型中產生的應變時效脆化，通過再結晶退火或去應力退火即可有效消除；在制造中已發(fā)生應變時效脆化，并在服役過程中發(fā)生了氫脆的碳鋼厚壁管，采用正火處理恢復其力學性能比較可靠，微孔洞和微裂紋愈合以及晶粒細化是該材料脆化消除及性能恢復的關鍵作用機理。
　　 (4)以前期失效分析、加工預防、性能恢復等研究為基礎，根據失效可能性風險劃分準則，構架了基于應變時效脆化失效機制的風險評估方法。根據各種可能的失效和后果提出了相應的失效可能性計算方法，

7、即：基于失效機制的風險評估方法由一套不同情況下的失效可能性分析及風險判定準則的子方法構成。在失效可能性分析研究的基礎上，分微小裂紋和宏觀裂紋兩種情況確立了風險劃分準則，提出了等值線風險FAD方法。基于分級和分類的風險評估理念，根據臨氫碳鋼高壓管風險評估中數(shù)據的特點，采用區(qū)間值描述基本數(shù)據單元和偏序關系將基本信息單元有層次的組織起來。采用Pawlak粗糙集理論，分別按均勻分布區(qū)間值和概率分布區(qū)間值建立了失效模式識別的算法，包括基于等值線風

8、險FAD各種情況下的算法。
　　 總之，通過作者的工作，明確了應變時效脆化是臨氫碳鋼高壓管的普遍失效模式，為臨氫碳鋼高壓管存在冷加工情況的失效機理、評估方法的研究和為材料選擇、定期檢驗和結構完整性評估提供了理論依據和數(shù)據支持；通過避免和消除應變時效脆化傾向研究提出的具體措施和作用機理可以直接用于降低失效可能性的工程實際；基于失效機制的風險評估方法和風險等級評定程序化的研究有助于加快規(guī)范化、實用化進程。由于臨氫碳鋼高壓管在制造和服